The role of myelinophagy in Central Nervous System (CNS) development

Abstract

(Macro)autophagy consists an evolutionarily conserved pathway delivering unwanted cytoplasmic material, including damaged organelles and toxic protein aggregates, to lysosomes for degradation. Despite certain investigations linking autophagy to central nervous system (CNS) demyelinating disorders, its precise role, especially concerning mature oligodendrocytes and CNS myelin, remains insufficiently explored. In this study, through both pharmacological and genetic inhibition of the autophagic process, we present compelling evidence that autophagy constitutes a vital mechanism governing oligodendrocyte maturation in vitro. Moreover, our findings unveil that two fundamental myelin proteins, namely proteolipid protein (PLP) and myelin basic protein (MBP), are incorporated into autophagosomes in oligodendrocytes, subsequently leading to their degradation. Furthermore, by selectively ablating the core autophagic gene atg5 within myelinating glial cells in vivo through tamoxifen administration (plp-CreERT2; atg5 f/f) at different developmental windows, we provide evidence about the role of autophagy in myelin formation, myelin maintenance in adulthood and myelin maintenance during aging. Our data indicate that autophagy depletion prior to myelination onset does not have any significant impact in myelin status. Conversely, autophagy depletion in adulthood leads to severe structural defects in the adult myelin membrane coupled with increased axonal degeneration. Consequently, these mice display behavioral deficits, such as motor learning impairments. Similar deficiencies are also observed in aged mice, simultaneously accompanied by increased microglia activation. To summarize, our findings underscore the necessity of a fully operational autophagic process for maintaining myelin homeostasis in the adult and aged CNS, providing evidence that autophagy within oligodendrocytes may intercede myelin turnover.

Η (μακρο)αυτοφαγία αποτελεί έναν εξελικτικά συντηρημένο μονοπάτι που μεταφέρει ανεπιθύμητο κυτταροπλασματικό υλικό, συμπεριλαμβανομένων κατεστραμμένων οργανιδίων και τοξικών πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων, προς τα λυσοσώματα για αποσύνθεση. Παρά τις συγκεκριμένες έρευνες που συνδέουν την αυτοφαγία με μία πληθώρα νευροεκφυλιστικών διαταραχών του κεντρικού νευρικού συστήματος (ΚΝΣ), ο ακριβής ρόλος της, ειδικά όσον αφορά στα ώριμα ολιγοδενδροκύτταρα και τη μυελίνη του ΚΝΣ, παραμένει ανεπαρκώς μελετημένος. Στη συγκεκριμένη μελέτη, μέσω τόσο φαρμακολογικής όσο και γενετικής αναστολής του μονοπατιού της αυτοφαγίας, παρουσιάζουμε στοιχεία που δείχνουν ότι η αυτοφαγία αποτελεί έναν απαραίτητο μηχανισμό για την ωρίμανση των ολιγοδενδροκυττάρων in vitro. Επιπλέον, τα ευρήματά μας αποκαλύπτουν ότι δύο θεμελιώδεις πρωτεΐνες της μυελίνης, δηλαδή η πρωτεολιπιδική πρωτεΐνη της μυελίνης (PLP) και η βασική πρωτεΐνη της μυελίνης (MBP), ενσωματώνονται σε αυτοφαγοσώματα στα ολιγοδενδροκύτταρα, οδηγούμενες προς αποδόμηση στο λυσόσωμα. Επιπροσθέτως, με την εκλεκτική απενεργοποίηση του βασικού γονιδίου της αυτοφαγίας atg5 στα μυελινωτικά γλοιακά κύτταρα in vivo σε μύες μέσω της χορήγησης ταμοξιφαίνης (plp-CreERT2; atg5 f/f) σε διάφορα στάδια ανάπτυξης, αποκαλύπτουμε νέες ενδείξεις για τον ρόλο της αυτοφαγίας στον σχηματισμό της μυελίνης, καθώς και τη διατήρηση της κατά την ενηλικιότητα, αλλά και τη γήρανση. Τα δεδομένα μας υποδηλώνουν ότι η αυτοφαγία δεν αποτελεί έναν απαραίτητο μηχανισμό για το σχηματισμό της μυελίνης, αλλά παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της μυελίνης στην ενήλικη ζωή. Συγκεκριμένα, η απαλοιφή της αυτοφαγίας κατά την ενήλικη ζωή οδηγεί σε σοβαρές δομικές αλλαγές στο έλυτρο της μυελίνης, σε συνδυασμό με αυξημένη νευροεκφύλιση. Συνεπώς, αυτοί οι μύες παρουσιάζουν συμπεριφορικά ελλείματα. Παρόμοιος φαινότυπος παρατηρείται και σε γηραιούς μύες, ταυτόχρονα συνοδευόμενος και από αυξημένη ενεργοποίηση των μικρογλιακών κυττάρων. Συμπερασματικά, τα ευρήματά μας υπογραμμίζουν την ανάγκη ενός πλήρως λειτουργικού αυτοφαγικού μηχανισμού για τη διατήρηση της ομοιόστασης της μυελίνης στο ενήλικο αλλά και στο γηραιό ΚΝΣ, παρέχοντας ενδείξεις ότι η αυτοφαγία εντός των ολιγοδενδροκυττάρων ενδέχεται να μεσολαβεί στην αποδόμηση της ίδιας της μυελίνης.